如今，研究人員可以實(shí)時觀察小鼠大腦中的氧氣運(yùn)動情況，這將有助于了解阿爾茨海默病、卒中和心臟病等疾病。

哥本哈根大學(xué)健康和醫(yī)學(xué)科學(xué)學(xué)院

3月26日消息

人腦消耗的能量巨大，幾乎完全來自需要氧氣的某種新陳代謝形式。因此，氧氣的高效及時分配和輸送對大腦的健康功能至關(guān)重要。然而，這一過程的精確機(jī)制在很大程度上一直不為科學(xué)家所知。近日，《科學(xué)》（Science）雜志描述了一種新的生物發(fā)光成像技術(shù)，該技術(shù)創(chuàng)建了小鼠大腦中氧氣運(yùn)動的高度詳細(xì)且視覺效果震撼的圖像。

研究于2024年3月28日發(fā)表在《Science》（最新影響因子：56.9）雜志上

這種方法易于被其他實(shí)驗(yàn)室復(fù)制，將使研究人員能夠更精確地研究缺氧的形式，例如卒中或心臟病發(fā)作期間大腦部分缺氧的情況。該技術(shù)已經(jīng)為揭示久坐生活方式為何會增加阿爾茨海默病等疾病的風(fēng)險提供了洞見。

“這項(xiàng)研究表明，我們可以在大腦的廣泛區(qū)域內(nèi)連續(xù)監(jiān)測氧濃度的變化，”羅切斯特大學(xué)（University of Rochester）和哥本哈根大學(xué)（University of Copenhagen）共同設(shè)立的轉(zhuǎn)化神經(jīng)醫(yī)學(xué)中心（Center for Translational Neuromedicine）聯(lián)合主任 Maiken Nedergaard 說。

“這為我們提供了大腦實(shí)時發(fā)生情況的更詳細(xì)圖像，使我們能夠識別出以前未檢測到的暫時缺氧區(qū)域，這些區(qū)域反映了可能引發(fā)神經(jīng)缺陷的血流變化，” Maiken Nedergaard 說。

螢火蟲與偶然的科學(xué)發(fā)現(xiàn)

這種新方法采用了發(fā)光蛋白，這種蛋白與螢火蟲體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的生物發(fā)光蛋白屬于化學(xué)同系物。這些蛋白在癌癥研究中已有應(yīng)用，它們利用一種病毒將指令傳遞給細(xì)胞，使細(xì)胞以酶的形式產(chǎn)生發(fā)光蛋白。當(dāng)這種酶遇到其底物——呋喃嗪（Furimazine，一種咪唑并吡嗪酮類的發(fā)光底物）時，化學(xué)反應(yīng)會產(chǎn)生光。

像許多重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)一樣，將這種過程應(yīng)用于大腦氧氣的成像也是偶然發(fā)現(xiàn)的。哥本哈根大學(xué)轉(zhuǎn)化神經(jīng)科學(xué)中心的助理教授 Felix Beinlich 原本打算使用發(fā)光蛋白來測量大腦中的鈣活動。后來才發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了錯誤，導(dǎo)致研究延遲了數(shù)月。

在等待制造商提供新批次產(chǎn)品的過程中，F(xiàn)elix Beinlich 決定繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以測試和優(yōu)化監(jiān)測系統(tǒng)。病毒被用來向星形膠質(zhì)細(xì)胞傳遞產(chǎn)生酶的指令，星形膠質(zhì)細(xì)胞是大腦中的普遍存在的支持細(xì)胞，它們維持著神經(jīng)元的健康和信號傳遞功能，而底物則直接注入大腦。

記錄顯示出了活動，這種活動通過生物發(fā)光的強(qiáng)度波動來識別，研究人員懷疑并后來證實(shí)，這反映了氧氣的存在和濃度。“在這種情況下的化學(xué)反應(yīng)是依賴氧氣的，所以當(dāng)存在酶、底物和氧氣時，系統(tǒng)就會開始發(fā)光，” Felix Beinlich 說。

雖然現(xiàn)有的氧氣監(jiān)測技術(shù)只能提供大腦小部分區(qū)域的信息，但研究人員實(shí)時觀察到了小鼠整個大腦皮層的活動。生物發(fā)光的強(qiáng)度與氧氣的濃度相對應(yīng)，研究人員通過改變動物呼吸空氣中氧氣的量來證明了這一點(diǎn)。

光強(qiáng)度的變化也與感官處理相對應(yīng)。例如，當(dāng)用一股氣流刺激小鼠的胡須時，研究人員可以看到大腦相應(yīng)感官區(qū)域的發(fā)光。

“缺氧區(qū)域”可能指向阿爾茨海默病風(fēng)險

大腦離開氧氣就無法長時間存活，這一點(diǎn)通過卒中或心臟病發(fā)作后迅速出現(xiàn)的神經(jīng)損傷得到了證明。但當(dāng)大腦的小部分短暫缺氧時會發(fā)生什么？

在這個問題被 Nedergaard 實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)開始仔細(xì)研究新記錄之前，甚至都沒有研究人員提出過這個問題。在監(jiān)測小鼠時，研究人員觀察到大腦特定微小區(qū)域會間歇性地變暗，有時會持續(xù)數(shù)秒，這意味著氧氣供應(yīng)被切斷了。

氧氣通過遍布大腦組織的龐大動脈網(wǎng)絡(luò)和更小的毛細(xì)血管（或微血管）網(wǎng)絡(luò)循環(huán)到整個大腦。通過一系列實(shí)驗(yàn)，研究人員得以確定氧氣被阻斷是由于毛細(xì)血管停滯（Capillary stalling），這種情況發(fā)生在白細(xì)胞暫時阻塞微血管并阻止攜氧紅細(xì)胞通過時。

研究人員將這些區(qū)域命名為“缺氧區(qū)域”，與小鼠活躍時相比，這些區(qū)域在小鼠休息時的大腦中更為普遍。人們認(rèn)為毛細(xì)血管停滯會隨著年齡增長而增加，并且在阿爾茨海默病模型中已經(jīng)觀察到這一現(xiàn)象。

“現(xiàn)在有機(jī)會研究與大腦缺氧相關(guān)的一系列疾病，包括阿爾茨海默病、血管性失智和長新冠，以及久坐不動的生活方式、衰老、高血壓和其他因素如何導(dǎo)致這些疾病，” Maiken Nedergaard 補(bǔ)充道，“它還提供了一個工具來測試不同的藥物和運(yùn)動類型，以改善血管健康并減緩失智癥的發(fā)展進(jìn)程。”

創(chuàng)立于1479年的丹麥哥本哈根大學(xué)

參考文獻(xiàn)

Source：University of Copenhagen - The Faculty of Health and Medical Sciences

New imaging method illuminates oxygen's journey in the brain

Reference：

Felix R. M. Beinlich et al. ,Oxygen imaging of hypoxic pockets in the mouse cerebral cortex.Science383,1471-1478(2024).DOI:10.1126/science.adn1011

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       原文標(biāo)題 : 新的成像方法闡明了氧氣在大腦中的旅程